따라서, 본 발명에 따른 전지셀은, 수지층과 금속층을 포함하는 라미네이트 시트의 전지케이스에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체를 장착한 후 열융착에 의해 밀봉하는 이차전지 셀로서, 상기 전극조립체가 장착되는 전지케이스의 수납부에는, 전극조립체가 장착된 상태에서 전지케이스 열융착 부위(실링부)와 전극조립 체 사이에, 절연성의 격자형 보형부재가 설치되어 있는 것으로 구성되어 있다.
즉, 본 발명에 따른 전지셀은 전지케이스의 전극조립체가 장착되는 수납부의 외주면에 격자형의 보형부재가 설치되어 있어서, 낙하, 진동 등의 외부충격에 의해 전지케이스 내에 장착되어 있는 전극조립체가 이동하거나 전지케이스가 손상되는 것을 방지하여, 전지의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 종래의 전지셀을 적층하여 중대형 전지모듈을 제조하고 하이브리드 전기자동차와 같은 중대형 디바이스에 장착하는 경우, 외부의 충격이 중대형 전지모듈에 인가될 때, 약한 전지케이스의 열융착 부위로 인하여 전지셀에 크랙이 가거나 전지케이스가 파열되는 현상이 발생하는 것을, 본 발명의 전지셀은, 방지할 수 있다.
본 발명에서 상기 라미네이트 시트는, 일 예로, 금속 차단층의 양면에 수지층이 도포되어 있는 구조로서, 바람직하게는, 금속 차단층의 일면(외면)에 내구성이 우수한 수지 외곽층이 부가되어 있고, 타면(내면)에 열용융성의 수지 실란트층이 부가되어 있는 구조일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 금속 차단층의 소재로는 가스 등에 대한 차단 특성과 박막 형태의 가공을 가능하게 하는 연성을 가지는 알루미늄이 사용될 수 있다. 상기 수지 외곽층은 외부 환경으로부터 우수한 내성을 가져야 하므로, 그것의 소재로는 소정 이상의 인장강도와 내후성을 가지는 고분자 수지로서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 연신 나일론 필름 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 수지 실란트층의 소재로는 열융착성(열접착성)을 가지고, 전해액의 침입을 억제하기 위 해 흡습성이 낮으며, 전해액에 의해 팽창하거나 침식되지 않는 무연신 폴리프로필렌 필름(CPP)계 수지 등이 사용될 수 있다.
그러한 라미네이트 시트의 전지케이스 수납부에 장착되는 상기 전극조립체는 양극과 음극 및 그 사이에 개재되어 있는 분리막으로 이루어진 구조라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 권취형, 스택형 또는 스택/폴딩형 구조를 들 수 있다. 스택/폴딩형 구조의 전극조립체에 대한 자세한 내용은 본 출원인의 한국 특허출원공개 제2001-0082058호, 제2001-0082059호 및 제2001-0082060호에 개시되어 있으며, 상기 출원은 본 발명의 내용에 참조로서 합체된다.
상기 전지케이스는 일 단위의 라미네이트 시트 부재로서, 소정 부위에 전극조립체 수납부가 형성되어 있고, 상기 수납부를 덮는 커버가 접이식으로 형성되어 있는 구조이거나, 또는 두 단위의 라미네이트 시트 부재로서 양측 또는 일측 부재에 전극조립체 수납부가 형성되어 있는 구조일 수 있다.
상기 보형부재의 소재는 전해액에 대한 내화학성과 전기 절연성을 가지며, 소정의 기계적 강성을 발휘하는 재료라면 특별히 제한되지는 않으나, 바람직하게는 고분자 수지 또는 고분자 복합체로 이루어지는 재료가 사용될 수 있으며, 소정의 탄성력과 기계적 강성을 가지는 실리콘 수지가 특히 바람직하다.
이러한 보형부재는 수직단면 상으로 전지케이스 실링부와 전극조립체 수납부의 외면에 밀착되는 형상으로, 대략 삼각형의 형상으로 형성될 수 있다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 보형부재의 단부는 상기 실링부의 형성시 부분적으로 함께 열융착됨으로써, 보형부재의 장착 위치를 고정시키고, 전지케이스의 밀봉성을 크게 향상시키며, 열융착시 전지케이스의 실란트층이 손상되는 것을 최소화할 수 있으므로, 특히 바람직하다.
이 경우, 상기 실링부와 함꼐 열융착되는 보형부재의 단부 크기는 2 mm 이하가 바람직한 바, 단부의 크기가 너무 큰 경우에는, 전지케이스 내면 실란트층의 열융착시 전지케이스의 밀봉성을 감소시키므로 바람직하지 않다.
경우에 따라서는, 보형부재의 형상에 대응하는 고강도 심재가 보형부재의 내부에 추가로 포함될 수도 있다. 이 경우, 보형 부재는 상대적으로 고강도의 심재와, 탄력성 및 유연성을 겸비한 외장재로 이루어질 수 있으며, 이러한 구조에 의해, 소망하는 기계적 강성과 전지케이스에 대한 우수한 밀착력을 제공할 수 있다.
상기 전지셀은, 예를 들어, 리튬 이차전지일 수 있으며, 특히 금속층과 수지층을 포함하는 라미네이트 시트, 구체적으로는 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치형 케이스에 전극조립체가 내장되어 있는 파우치형 리튬 이차전지일 수 있다.
본 발명에 따른 전지셀은 우수한 수명과 안전성으로 인해, 특히 고출력 대용량의 전력을 제공하는 중대형 전지팩의 단위전지로서 바람직하게 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 또한, 단위전지로서 상기 이차전지를 다수 개 포함하고 있는 중대형 전지모듈, 및 그러한 중대형 전지모듈 하나 이상 포함하고 있는 고출력 대용량의 중대형 전지팩을 제공한다.
상기 중대형 전지팩은 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 전기자전거, 전기오토바이 등과 같이 고출력, 대용량의 전기가 요구되며, 진동, 충격 등과 같은 많은 외력이 가해지는 디바이스의 동력원으로 특히 바람직하다.
중대형 전지모듈 및 전지팩의 구성 및 그것의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 자세한 설명은 본 명세서에서 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 보형부재가 장착된 파우치형 전지에 대한 모식도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 선 B-B에 대한 단면도가 도시되어 있으며, 도 5에는 도 4의 일부 확대도가 도시되어 있다.
우선 도 3을 참조하면, 전극조립체(130)는 각각의 상단부와 하단부에 두 개의 전극리드(132)가 서로 대향하여 돌출되어 있는 구조로 이루어져 있다. 절연성의 보형부재(150)는 전극조립체(130)의 외주면을 감싸는 형태의 격자형 구조로 이루어져 있다. 따라서, 라미네이트 시트로 이루어진 전지케이스(140)에 전극조립체(130)를 수납한 후 그것의 외주면을 따라 절연성의 격자형 보형부재(150)를 설치한 뒤, 열융착에 의해 전지케이스(140)를 밀봉함으로써 전지셀을 제조한다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 전지케이스(140)는 전극조립체(130)를 수납할 수 있도록 오목한 형상의 수납부가 형성되어 있는 하부 케이스(144)와, 전극조립체(130)를 하부 케이스(144)에 수납한 후 하부 케이스(144)를 덮을 수 있는 상부 케이스(142)로 이루어져 있다.
하부 케이스(144)의 내면에 형성되어 있는 수납부에 전극조립체(130)를 장착 하고, 전극조립체(130)의 외주면과 전지케이스(140)의 실링부(180) 사이에 생기는 공간에 실리콘 수지로 이루어진 보형부재(150)를 삽입한 뒤, 열융착에 의해 실링부(180)를 형성함으로써 밀봉을 이룬다. 보형부재(150)는 수직 단면상으로 전극조립체(130) 수납부의 외주면 형상에 대략 일치하는 형상(삼각형 형상)을 가지며, 실리콘 수지의 탄성력과 기계적 강성에 의해 측면으로의 낙하 및 진동과 같은 외력으로부터의 충격을 흡수하는 완충 작용을 하여 전지케이스(140) 및 전극조립체(130)를 보호한다.
이러한 보형부재(150)의 단부는 도 5에서와 같이 열융착 부위(180)까지 소정의 길이로 연장(152)되어 있어서, 실링부(180)의 형성시 부분적으로 함께 열융착되므로, 보형부재(150)의 장착 위치를 고정하고, 전지케이스(140)를 밀폐시키며, 열융착시 전지케이스(140)의 실란트층(도시하지 않음)의 손상을 최소화할 수 있다.
이하의 실시예, 비교예 및 실험예에서 본 발명의 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
양극 활물질로서 LiCoO2 95 중량%, Super-P(도전제) 2.5 중량% 및 PVdF(결합제) 2.5 중량%를 용제인 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone)에 첨가하여 양극 혼합물 슬러리를 제조하고, 음극 활물질로서 인조흑연 95 중량%, Super-P(도전제) 1 중량% 및 PVdF(결합제) 4 중량%를 용제인 NMP에 첨가하여 음극 혼합물 슬러리를 제조하여, 각각 알루미늄 호일과 구리 호일에 각각 도포한 후, 각각 절단하여 양극 판과 음극 판들을 제조하였다. 분리막으로서 셀가드TM(TONEN)를 개재한 상태에서, 상기에서 제조된 양극 판과 음극 판들을 순차적으로 적층하여 전극조립체를 제조하였다.
상기 전극조립체의 전극탭과 전극리드를 초음파 융착시킨 후 하부 케이스에 수납하고, 도 3에서와 같이, 절연성의 격자형 보형부재를 전지케이스 열융착 부위(실링부)와 전극조립체 사이에 설치한 후 열과 압력을 인가함으로써, 상부 케이스와 하부 케이스를 밀착시켜 전지를 완성하였다.
[실시예 2]
절연성의 격자형 보형부재를 전지케이스 열융착 부위(실링부)와 전극조립체 사이에 설치할 때, 도 5에서와 같이, 보형부재의 단부가 약 1 mm의 길이로 실링부의 형성시 부분적으로 함께 열융착되도록 하였다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같은 방법으로 전지를 완성하였다.
[비교예 1]
도 3에서와 같이, 절연성의 격자형 보형부재를 전지케이스 열융착 부위(실링부)와 전극조립체 사이에 설치하지 않았다는 점을 제외하고는, 상기 실시예 1과 같 은 방법으로 전지를 완성하였다.
[실험예 1]
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1에서 각각 50 개의 제조된 전지들을 대상으로, 전지케이스 라미네이트 시트의 내측 수지층(실란트층)이 손상되어 시트의 알루미늄층이 전극조립체와 접촉됨으로써 절연저항이 손상되는 지 여부를 확인하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
<표 1>
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 전지들은 오직 2 개의 전지만이 전지케이스의 알루미늄층과 전극조립체가 상호 접촉되는 현상이 확인되었고, 비교예 1의 전지들은 다수의 전지들에서 상기 상호 접촉 현상이 확인되었다. 즉, 비교예 1의 전지들은 실링부를 열융착하는 과정에서 전지케이스의 라미네이트 시트 중 내부 수지층(실란트)이 손상되면서 전지케이스 라미네이트 시트의 알루미늄층이 전극조립체와 직접 접촉되는 현상이 나타났다. 이와 같이, 알루미늄층과 전극조립체가 직접 접하는 부위는 내부 단락이 발생하고, 밀봉성이 크게 저하됨으로써 전해액의 누액 현상이 발생하여 전지의 수명을 크게 저하시키는 원인으로 작용할 수 있다.
한편, 보형 부재의 단부가 실링부에 함께 열융착된 실시예 2의 전지들에서는 상기와 같은 상호 접촉 현상이 전혀 확인되지 않음으로써, 가장 우수한 안전성을 제공함을 알 수 있다.
[실험예 2]
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1에서 각각 30 개의 제조된 전지들을 대상으로, 외부 충격에 대한 안전성 테스트를 수행하였다. 즉, 각 전지들을 그것의 외주면 방향으로 지면에 충돌하도록 1.5 m 높이에서 5 회 자유 낙하시킨 후 전해액의 누액 여부와 내부 단락 연부를 확인하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
<표 2>
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 전지들은 대부분의 전지들에서 전해액 누액과 내부 단락이 발생하지 않은 반면에, 비교예 1의 전지들은 다수의 전지들에서 전해액 누액 또는 내부 단락이 발생하였다. 이는, 본 발명에 따른 보형부재가 외부 충격을 적절히 흡수하여, 전지케이스가 변형 또는 파괴되거나 전극조립체의 변형 또는 이동을 방지함으로써 안전성 향상에 기여함을 입증한다.
더욱이, 실시예 2의 전지는 모든 전지들에서 누액 현상이 발생하지 않음으로 써, 보형 부재의 단부가 함께 열융착됨으로써 매우 우수한 누액 방지 성능을 발휘함을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.